先簡(jiǎn)支后連續(xù)變截面預(yù)制小箱梁設(shè)計(jì)

劉政偉，夏齊勇，鄒黎瓊，陳瀟

(湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，湖北 武漢 430050)

雙曲拱橋以其構(gòu)造簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)合理、材料利用率高、易就地取材等優(yōu)點(diǎn)，在20世紀(jì)60年代后相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)成為中國(guó)的主導(dǎo)橋型。21世紀(jì)后，中國(guó)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，當(dāng)初修建的雙曲拱橋普遍存在橋?qū)捿^窄無(wú)法滿足現(xiàn)行交通要求的問題。同時(shí)，相當(dāng)一部分雙曲拱橋位于城市中心區(qū)，已成為城市記憶，不宜將老橋拆除，應(yīng)在老橋的基礎(chǔ)上加建新橋?，F(xiàn)行規(guī)范的設(shè)計(jì)荷載較老橋的設(shè)計(jì)荷載增加較大，若新橋采用雙曲拱橋則跨中拱肋截面尺寸將比老橋大，且雙曲拱橋整體性較差、施工較復(fù)雜，因此新橋不宜采用雙曲拱橋方案。此外，為滿足景觀要求，新橋應(yīng)與老橋造型一致，即跨中梁高不得大于老橋跨中梁高。拓寬改造的新橋可采用預(yù)制拼裝的先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)預(yù)制梁橋方案。

預(yù)制拼裝施工方法是將橋梁上部結(jié)構(gòu)劃分為若干節(jié)段，在工廠內(nèi)預(yù)制完成后，現(xiàn)場(chǎng)逐跨進(jìn)行拼裝，并通過現(xiàn)澆濕接縫或張拉預(yù)應(yīng)力使之成為整體結(jié)構(gòu)的施工方法。相對(duì)于支架現(xiàn)澆施工方法和懸臂澆筑法，預(yù)制拼裝施工方法施工速度快、工期短、施工占地小、對(duì)橋梁周圍的環(huán)境影響小，且梁體的幾何線形容易控制，是現(xiàn)代化的綠色施工方法。

傳統(tǒng)的先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)制梁均為等截面，因其自重較大，跨中正彎矩大，受吊裝能力和結(jié)構(gòu)受力等因素影響，其經(jīng)濟(jì)跨徑較小，且其美觀性較差。若減小預(yù)制梁跨中截面高度，則可減輕其自重，減小跨中彎矩，進(jìn)而提高其經(jīng)濟(jì)跨徑，且美觀性較好，并能較好地匹配雙曲拱橋跨中梁高低于支點(diǎn)梁高的立面造型特點(diǎn)。

先簡(jiǎn)支后連續(xù)變截面預(yù)制小箱梁在工程中尚無(wú)應(yīng)用，且預(yù)制小箱梁跨中梁高減小后，其結(jié)構(gòu)受力特性將變得復(fù)雜。如何確定先簡(jiǎn)支后連續(xù)變截面預(yù)制小箱梁的構(gòu)造和預(yù)應(yīng)力鋼束布置，是變截面預(yù)制小箱梁設(shè)計(jì)中必須研究和加以解決的重要問題。

該文以湖北省涢水一橋拓寬改造工程為例，介紹其先簡(jiǎn)支后連續(xù)變截面預(yù)制小箱梁的構(gòu)造和預(yù)應(yīng)力鋼束布置，對(duì)其進(jìn)行受力分析，以期為類似雙曲拱橋拓寬改造的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 工程概況

湖北隨州市涢水一橋原橋?yàn)?孔凈跨42 m等截面懸鏈線雙曲拱橋，跨越?jīng)樗骱拥?，橋面凈? m，為提高該橋通行能力，需對(duì)該橋進(jìn)行拓寬改造，在原橋上游新建一幅17 m寬橋梁。由于該橋位于市中心，且跨中梁高僅為1.5 m，考慮美觀和施工工期等因素，擬采用(44.055+7×44.41+44.055) m先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)變截面預(yù)制小箱梁，并在立面進(jìn)行拱形裝飾以匹配老橋立面造型。拼寬后的斷面圖如圖1所示。由于大橋跨越?jīng)樗?，水位較深，不具備采用龍門吊或其他陸地吊裝方式的條件，適合采用架橋機(jī)架設(shè)，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算施工過程中架橋機(jī)運(yùn)梁過孔的施工工況。

大橋設(shè)計(jì)必須克服如下難點(diǎn)：

(1) 施工過程中，主梁簡(jiǎn)支時(shí)，由于跨中截面梁高受限僅為1.5 m，承載能力弱，卻需承擔(dān)架橋機(jī)運(yùn)梁過孔荷載。

(2) 先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)變截面預(yù)制小箱梁存在體系轉(zhuǎn)換過程，各截面應(yīng)力控制較難。

圖1 涢水一橋拼寬后斷面圖(單位：cm)

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該(44.055+7×44.41+44.055) m先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)變截面預(yù)制小箱梁，邊跨支點(diǎn)梁高2.6 m、跨中梁高2.0 m，梁底曲線按二次拋物線漸變；中跨支點(diǎn)梁高2.6 m、跨中梁高1.5 m，梁底曲線按二次拋物線漸變。預(yù)制小箱梁橫向布置5片，濕接縫4道，每道寬度0.65 m。跨中設(shè)置一道橫隔梁、厚25 cm，端橫隔梁厚50 cm，連續(xù)段橫隔梁厚71 cm。單片小箱梁斷面采用單箱室，中梁梁頂寬2.6 m、頂板厚20 cm、支點(diǎn)腹板厚36 cm、跨中腹板厚22 cm、腹板坡率5∶1、底板厚由支點(diǎn)處的40 cm線性漸變至跨中處的22 cm，邊梁梁頂寬3.295 m、頂板厚20 cm、翼板寬0.979 m、支點(diǎn)腹板厚36 cm、跨中腹板厚22 cm、腹板坡率5∶1、底板厚由支點(diǎn)處的40 cm線性漸變至跨中處的22 cm。

預(yù)制變截面小箱梁按A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)，由于預(yù)制變截面小箱梁跨中截面梁高較低，抗彎承載能力偏小，為滿足受力要求并控制簡(jiǎn)支變連續(xù)體系的各截面應(yīng)力，設(shè)計(jì)時(shí)將部分腹板束于跨中1/3處上彎并錨固于頂板，其余腹板束錨固于梁端。

為改善架橋機(jī)運(yùn)梁過孔工況中主梁的受力狀態(tài)，以滿足施工階段主梁受力要求，變截面預(yù)制梁的施工過程不同于等截面預(yù)制梁。其在安裝好兩跨主梁后就施工兩跨主梁間的墩頂橫梁并張拉墩頂預(yù)應(yīng)力鋼束，將施工階段簡(jiǎn)支狀態(tài)的主梁轉(zhuǎn)換為連續(xù)狀態(tài)，能有效地減少跨中正彎矩。

3 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

根據(jù)JTG D62-2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)先簡(jiǎn)支后連續(xù)變截面預(yù)制小箱梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。

3.1 施工階段驗(yàn)算

由于預(yù)制變截面小箱梁跨中梁高較低，跨中承載能力較薄弱，且預(yù)制變截面小箱梁施工過程中需要通過架橋機(jī)架設(shè)，需要對(duì)架橋機(jī)架設(shè)過程中預(yù)制變截面小箱梁的受力進(jìn)行分析。施工過程中，單片預(yù)制變截面小箱梁按簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)考慮，其控制截面為跨中截面。經(jīng)驗(yàn)算，施工階段單片預(yù)制變截面小箱梁跨中正截面抗彎承載能力驗(yàn)算結(jié)果如表1所示。

表1 施工階段跨中截面承載力驗(yàn)算結(jié)果

由表1可知：施工階段單片預(yù)制變截面小箱梁跨中截面最大彎矩效應(yīng)值為13 947 kN·m，小于抗彎承載力15 700 kN·m，施工階段抗彎承載能力滿足要求。

3.2 承載能力驗(yàn)算

對(duì)(44.055+7×44.41+44.055) m先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)變截面預(yù)制小箱梁進(jìn)行持久狀況承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算，按9孔連續(xù)梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，采用橋梁博士分別對(duì)邊梁和中梁進(jìn)行桿系模型計(jì)算。邊梁和中梁的荷載橫向分配系數(shù)采用剛性橫梁法和剛接板(梁)法計(jì)算，結(jié)果如表2所示。

表2 變截面預(yù)制小箱梁荷載橫向分布系數(shù)

持久狀況下預(yù)制變截面小箱梁邊梁和中梁的正截面抗彎承載能力驗(yàn)算結(jié)果如表3所示。

由表3可知：中梁邊跨最大正彎矩效應(yīng)值為22 089 kN·m，小于抗彎承載力25 996 kN·m；中梁中支點(diǎn)最大負(fù)彎矩效應(yīng)值為17 326 kN·m，小于抗彎承載力27 575 kN·m；邊梁邊跨最大正彎矩效應(yīng)值為24 349 kN·m，小于抗彎承載力26 247 kN·m；邊梁中支點(diǎn)最大負(fù)彎矩效應(yīng)值為17 653 kN·m，小于抗彎承載力27 600 kN·m。表明持久狀況下預(yù)制變截面小箱梁正截面抗彎承載能力滿足要求。

表3 正截面抗彎承載能力驗(yàn)算結(jié)果

持久狀況下預(yù)制變截面小箱梁邊梁和中梁的斜截面抗剪承載能力驗(yàn)算結(jié)果如表4所示。

表4 斜截面抗剪承載能力驗(yàn)算結(jié)果

由表4可知，中梁最大剪力效應(yīng)值為3 860 kN，小于抗剪承載力6 632 kN；邊梁最大剪力效應(yīng)值為4 458 kN，小于抗剪承載力6 847 kN。表明持久狀況下預(yù)制變截面小箱梁斜截面抗剪承載能力滿足要求。

3.3 抗壓驗(yàn)算

對(duì)(44.055+7×44.41+44.055) m先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)變截面預(yù)制小箱梁進(jìn)行使用階段正截面法向壓應(yīng)力和斜截面主壓應(yīng)力驗(yàn)算，結(jié)果如表5、6所示。

表5 正截面法向壓應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果 MPa

表6 斜截面主壓、主拉應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果 MPa

由表6可知：在標(biāo)準(zhǔn)值組合下中梁箱梁截面的最大主壓應(yīng)力為15.8 MPa，邊梁箱梁截面的最大主壓應(yīng)力為14.7 MPa，均小于C50混凝土最大容許主壓應(yīng)力19.44 MPa。滿足JTG D62-2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。

3.4 抗裂驗(yàn)算

對(duì)(44.055+7×44.41+44.055) m先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)變截面預(yù)制小箱梁進(jìn)行使用階段正截面法向拉應(yīng)力和斜截面主拉應(yīng)力驗(yàn)算，結(jié)果如表7、6所示。

表7 正截面法向拉應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果 MPa

由表7可知：在荷載短期效應(yīng)組合下，中梁最大法向拉應(yīng)力為0.487 MPa，邊梁最大法向拉應(yīng)力為0.381 MPa，均小于C50混凝土最大允許法向拉應(yīng)力1.85 MPa；在荷載長(zhǎng)期效應(yīng)組合下，箱梁截面均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，箱梁正截面抗裂滿足規(guī)范要求。

由表6可知：在荷載短期效應(yīng)組合下，中梁最大主拉應(yīng)力為0.643 MPa，邊梁最大主拉應(yīng)力為0.552 MPa，均小于C50混凝土最大允許主拉應(yīng)力1.85 MPa，箱梁斜截面抗裂驗(yàn)算滿足JTG D62-2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.3.1條要求。

3.5 主梁剛度驗(yàn)算

受彎構(gòu)件在使用階段的撓度應(yīng)考慮荷載長(zhǎng)期效應(yīng)的影響，即按荷載短期效應(yīng)組合和JTG D62-2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》的第6.5條規(guī)定的剛度計(jì)算撓度值(只算活載產(chǎn)生的值)乘以撓度長(zhǎng)度增長(zhǎng)系數(shù)ηθ。結(jié)果見表8。

表8 主梁撓度驗(yàn)算結(jié)果

由表8可知：主梁在活載作用下最大撓度為38.8 mm，小于l/600=74 mm，橋梁剛度滿足規(guī)范要求。

4 施工工藝

由于變截面預(yù)制小箱梁獨(dú)特的構(gòu)造和設(shè)計(jì)特征，其施工方式與傳統(tǒng)的先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)橋梁相比存在一定的差異，其具體的施工步驟如下：

(1) 預(yù)制主梁，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%后，張拉正彎矩區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼束，壓漿并及時(shí)清理主梁(預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支變連續(xù)小箱梁)底板通氣孔。

觀察兩組患者6個(gè)月內(nèi)發(fā)生非致死性心肌梗死、心力衰竭、全因死亡、心絞痛情況，對(duì)比兩組患者非致死性心肌梗死、心力衰竭、全因死亡、心絞痛發(fā)生率及總事件發(fā)生率。

(2) 設(shè)置臨時(shí)支座并安裝好永久支座，逐孔安裝主梁，安裝好兩跨主梁后施工兩跨主梁間的墩頂橫梁并張拉墩頂預(yù)應(yīng)力鋼束，將簡(jiǎn)支狀態(tài)的主梁轉(zhuǎn)換為連續(xù)狀態(tài)，以改善架橋機(jī)運(yùn)梁過孔工況主梁的受力狀態(tài)。

(3) 主梁施工完成后，由跨中向支點(diǎn)澆筑剩余部分的橋面整體化混凝土，并噴灑防水層、安裝伸縮裝置、進(jìn)行橋面系施工。

大橋加寬施工完成后對(duì)立面進(jìn)行拱形裝飾,使變截面預(yù)制小箱梁能完美地匹配老橋的立面線形，美觀效果較好。

5 材料指標(biāo)

變截面梁能較好地符合連續(xù)梁的內(nèi)力分布規(guī)律，材料用量較少。預(yù)制拼裝變截面小箱梁與預(yù)制拼裝等截面小箱梁的材料指標(biāo)比較如表9所示。

表9 材料指標(biāo)比較表

由表9可知：相較于同等跨徑預(yù)制拼裝等截面小箱梁，預(yù)制拼裝變截面小箱梁每平米材料用量少約25%。

6 結(jié)論

該橋采用預(yù)制拼裝變截面小箱梁，既滿足了美觀要求，又縮短了工期，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

(1) 采用變截面小箱梁后加裝飾拱的方案能較好地匹配雙曲拱橋的線形，滿足橋梁的美學(xué)效果。

(2) 通過優(yōu)化變截面預(yù)制小箱梁的構(gòu)造和預(yù)應(yīng)力布置，解決了變截面預(yù)制小箱梁由于跨中梁高較低，跨中承載能力薄弱的問題。

(3) 通過調(diào)整施工過程，改善架橋機(jī)運(yùn)梁過孔工況中主梁的受力狀態(tài)，以滿足施工階段主梁受力要求。

(4) 經(jīng)過對(duì)預(yù)制拼裝變截面小箱梁的設(shè)計(jì)和分析，其施工階段受力驗(yàn)算、承載能力驗(yàn)算、截面壓應(yīng)力驗(yàn)算、截面抗裂驗(yàn)算和剛度驗(yàn)算均滿足規(guī)范要求。

(5) 由于變截面預(yù)制拼裝連續(xù)小箱梁施工速度快、美觀性較好，且造價(jià)相較同等跨徑等截面預(yù)制梁低，也可適用于具有景觀要求的公路橋梁。